JP4017310B2

JP4017310B2 - Deposition equipment

Info

Publication number: JP4017310B2
Application number: JP2000082616A
Authority: JP
Inventors: 進桜木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001262323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、プラズマを用いてイオンプレーティングを行う成膜装置に関し、特に金属配線膜等を配向性良く形成するのに適した成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成膜装置として、圧力勾配型のプラズマガンからのプラズマビームをハースに導き、ハース上の蒸発ルツボ中の蒸着物質を蒸発・イオン化し、このように蒸発・イオン化した蒸着物質をハースと対向して配置された基板の表面に付着させるイオンプレーティング装置が知られている。
【０００３】
特開平７−１３８７４３号公報には、この種のイオンプレーティング装置において、ハース内に配置された棒磁石とハースの周囲に同心に配置された永久磁石とからなる入射ビーム方向調整手段を組み込むことによってハースの入射面上方にカスプ磁場を形成するものが開示されている。このイオンプレーティング装置では、ハース上方のカスプ磁場によってハースに入射するプラズマビームを修正し、プラズマビームをハースの真上から直線的に入射させるので、基板の表面に形成される膜の厚みを均一にすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のイオンプレーティング装置では、従来の成膜装置に比較して高い結晶配向性を有する金属配線膜等が得られている。しかし、成膜前に基板の表面に不純物ガス等が吸着されていることに起因して、この吸着物質が膜中に取り込まれ、不純物量を増加させるだけでなく、結晶の配向性をも劣化させている。
【０００５】
そこで、本発明は、これらの吸着物質による影響を排除し、より高い結晶配向性を有し電気特性に優れる配線膜等を提供することができる成膜方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置において実施し得る成膜方法は、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理する第１工程と、第１工程の後に、成膜室中に配置された材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給することによって材料蒸発源の膜材料を蒸発させて基板の表面に付着させる第２工程とを備える。
【０００７】
上記方法では、第１工程で、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理するので、基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、第２工程で、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【０００８】
また、上記方法の好ましい態様では、第２工程中に、基板に所定の制御用バイアス電圧を印加することによって成膜の進行を制御する工程を含む。
【０００９】
この場合、基板表面に形成された膜のイオンによるスパッタと基板表面への膜材料の付着とを適宜バランスさせつつ成膜を進行させることができるので、基板上の溝や孔への膜材料の埋込みが確実なものとなる。
【００１０】
また、上記方法の好ましい態様では、イオンが、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及びＸｅのうちの少なくとも一種を含むものであり、かつ、５〜２００ｅＶのエネルギーを有することを特徴とする。
【００１１】
この場合、基板のクリーニングに適したイオンをクリーニングに必要なエネルギーで基板に入射させることができる。
【００１２】
また、上記方法の好ましい態様では、第２工程で、材料蒸発源を保持するハースの近接した上方の磁界を制御しつつ、プラズマビームを圧力勾配型のプラズマガンからハースに向けて供給する。
【００１３】
この場合、圧力勾配型のプラズマガンから高い密度でハースに入射するプラズマビームを磁場制御部材によってカスプ状磁場等で修正してより均一な厚みの膜を迅速に形成することができる。
【００１４】
また、本発明の成膜装置は、プラズマビームを成膜室中に供給するプラズマ源と、膜材料を収容可能な材料蒸発源を有するとともに、成膜室中に配置されてプラズマビームを導くハースと、成膜室中にハースに対向するように基板を支持する基板支持装置と、材料蒸発源に向けてプラズマビームが供給されて成膜が行われる前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせる電位制御手段とを備える。
【００１５】
上記装置では、電位制御手段が、材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給して成膜を行う前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせるので、成膜前の基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【００１６】
また、上記装置の好ましい態様では、磁石及びコイルの少なくとも一方をハースの周囲に環状に配置してなるとともにハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材と、この磁場制御部材の近接した上方に配置される補助陽極とをさらに備え、プラズマ源が、圧力勾配型のプラズマガンである。
【００１７】
この場合、磁場制御部材によってハースに入射するプラズマビームをカスプ状磁場等で修正してより均一な厚みの膜を迅速に形成することができる。さらに、補助陽極を利用してハースへのプラズマビームの入射を制御することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置の全体構造を概略的に説明する図である。この成膜装置は、金属配線膜を形成するためのもので、成膜室である真空容器１０と、真空容器１０中にプラズマビームＰＢを供給するプラズマ源であるプラズマガン３０と、真空容器１０内の底部に配置されて成膜時にプラズマビームＰＢが入射する陽極部材５０と、真空容器１０上部に配置されて基板Ｗを保持する保持機構６０と、これらの動作を統括制御する主制御装置８０とを備える。
【００１９】
プラズマガン３０は、プラズマビームＰＢをＤＣアーク放電によって発生する圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分は、真空容器１０の側壁に設けられた筒状部１２に装着されている。この本体部分は、陰極３１によって一端が閉塞されたガラス管３２からなる。ガラス管３２内には、モリブデンＭｏで形成された円筒３３が陰極３１に固定されてガラス管３２と同心に配置されており、この円筒３３内には、ＬａＢ₆で形成された円盤３４とタンタルＴａで形成されたパイプ３５とが内蔵されている。ガラス管３２の両端部のうち陰極３１とは反対側の端部と、真空容器１０から延びる筒状部１２の端部との間には、第１及び第２中間電極４１、４２が同心状に直列に配置されている。一方の第１中間電極４１内には、プラズマビームＰＢを収束するための環状永久磁石４４が内蔵されている。第２中間電極４２内にも、プラズマビームＰＢを収束するための電磁石コイル４５が内蔵されている。なお、筒状部１２の周囲には、陰極３１側で発生して第１及び第２中間電極４１、４２まで引き出されたプラズマビームＰＢを真空容器１０内に導くステアリングコイル４７が環状に設けられている。
【００２０】
このプラズマガン３０を動作させると、陰極３１と真空容器１０内のハース５１との間で放電が生じ、プラズマビームＰＢが生成される。このプラズマビームＰＢは、ステアリングコイル４７と補助陽極５２内の永久磁石５５とにより決定される磁界に案内されてハース５１に到達する。
【００２１】
プラズマガン３０の動作状態は、ガン駆動装置４８によって制御されている。このガン駆動装置４８は、陰極３１への給電をオン・オフしたりこれへの供給電圧等を調整することができ、さらに第１及び第２中間電極４１、４２、電磁石コイル４５、及びステアリングコイル４７への給電を調整する。このようなガン駆動装置４８によって、真空容器１０中に供給されるプラズマビームＰＢの状態が制御される。
【００２２】
なお、最も内心側に配置されるパイプ３５は、プラズマビームＰＢのもととなるＡｒ等のキャリアガスをプラズマガン３０中に導入するためものであり、流量計３７及び流量調節弁３８を介してガス供給源３９に接続されている。流量計３７によって検出されたキャリアガスの流量は主制御装置８０で監視されており、流量調節弁３８によるキャリアガスの流量調整等に利用される。なお、真空容器１０のプラズマガン３０に対向する側面には、真空容器１０内を所望の圧力に減圧するため、真空ゲート７６を介して排気ポンプ７７が取り付けられている。
【００２３】
真空容器１０中の下部に配置された陽極部材５０は、プラズマビームＰＢを下方に導く主陽極であるハース５１と、その周囲に配置された環状の補助陽極５２とからなる。
【００２４】
前者のハース５１は、熱伝導率の良い導電性材料で形成されるとともに接地された真空容器１０に図示を省略する絶縁物を介して支持されている。このハース５１は、陽極電源装置５８によって適当な正電位に制御されており、プラズマガン３０を出射して磁界に案内されて来たプラズマビームＰＢを下方に吸引する。なお、ハース５１は、プラズマガン３０からのプラズマビームＰＢ中の電子が入射する中央上部の凹部に、ルツボ状の材料蒸発源であるハース本体５３を有している。ハース本体５３内部には、膜材料である銅等の金属が融液状となって溜まっている。
【００２５】
後者の補助陽極５２は、ハース５１の周囲にこれと同心に配置された環状の容器により構成されている。この環状容器内には、フェライト等で形成された環状の永久磁石５５と、これと同心的に積層されたコイル５６とが収納されている。これら永久磁石５５及びコイル５６は、磁場制御部材であり、ハース５１の直上方にカスプ状磁場を形成する。これにより、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向き等を修正することができる。
【００２６】
補助陽極５２内のコイル５６は電磁石を構成し、陽極電源装置５８から給電される。この場合、励磁されたコイル５６における中心側の磁界の向きは、永久磁石５５により発生する中心側の磁界と同じ向きになるように構成される。陽極電源装置５８は、コイル５６に供給する電流を変化させることができ、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向きの微調整が可能になる。
【００２７】
補助陽極５２の容器も、ハース５１と同様に熱伝導率の良い導電性材料で形成される。この補助陽極５２は、ハース５１に対して図示を省略する絶縁物を介して取り付けられている。陽極電源装置５８は、補助陽極５２、特にその上部の補助陽極本体に印加する電圧変化させることによって、ハース本体５３の上方の電界を制御できるようになっている。
【００２８】
真空容器１０中の上部に配置される保持機構６０は、ハース５１の上方において成膜面を下側にして基板Ｗを保持するための基板支持装置である基板ホルダ６１と、この基板ホルダ６１上部に固定されて基板Ｗを裏面側から温度調節する温度調節装置６２とを備える。基板ホルダ６１は、真空容器１０に対して絶縁された状態で電位制御手段である基板電源装置６８から給電されており、基板Ｗの表面を適当なタイミングで、ゼロ電位の真空容器１０に対して負電位や正電位にバイアスしたり、フロートな状態に維持する。温度調節装置６２は、温調制御装置６９によって制御されており、この温調制御装置６９は、温度調節装置６２に内蔵したヒータに給電し、或いは内蔵した配管に冷却媒体を供給して、温度調節装置６２更には基板ホルダ６１を所望の温度に保持する。
【００２９】
以下、図１の成膜装置の動作について、図２を参照しつつ説明する。まず、基板Ｗを真空容器１０内に搬入し、成膜面を下側にした状態で基板ホルダ６１に固定する（ステップＳ１）。この基板Ｗは、例えばＳｉウェハ上に適当なパターンのＳｉＯ₂層を形成したもので、ＳｉＯ₂層の孔や溝を含めた表面全体にＴａＮ等からなるバリア膜を薄く形成したものある。
【００３０】
次に、プラズマガン３０を適宜動作させて基板Ｗの被成膜面をクリーニングする（ステップＳ２）。つまり、流量調節弁３８によってパイプ３５から真空容器１０中に適当量のＡｒイオンを供給しつつ、ガン駆動装置４８によって陰極３１に４０Ａ程度の電流を供給する。このような状態で、基板電源装置６８によって基板Ｗの被成膜面の電位を０〜−２００Ｖ程度、好ましくは−５〜−１００Ｖ程度、すなわち処理用バイアス電圧に維持する。これにより、基板Ｗの被成膜面がクリーニングされる。この際、温度調節装置６２によって基板Ｗの温度を適宜調節することもできる。なお、処理用バイアス電圧が−５Ｖより大きくなると、基板Ｗの種類や表面状態によっても異なるが、表面クリーニングの効果が十分に得らなくなり、後に形成する金属配線膜の密着性が徐々に悪くなる。逆に、処理用バイアス電圧が−１００Ｖより小さくなると、基板Ｗに入射するイオンのエネルギーが増大して基板Ｗの表面にダメージが徐々に生じ易くなる。
【００３１】
上記のようにＡｒガスをキャリアとして用いた場合、プラズマポテンシャルが＋１０〜＋２０Ｖとなる。したがって、基板電源装置６８によって基板Ｗの被成膜面の電位を例えば−５０Ｖとすると、Ａｒイオンは、５５〜６５ｅＶ程度のエネルギーをもって基板Ｗに衝突し、基板Ｗの被成膜面に吸着している原子を放出させる。
【００３２】
なお、ガスの吸着には物理吸着と化学吸着とがあり、このうち基板Ｗに物理吸着されたガスは真空中でこの基板Ｗを２００〜３００℃程度に過熱することによって比較的短時間で除去可能であるが、化学吸着されたガスは過熱のみでは簡単に放出しない。このため、比較的低エネルギーのＡｒイオンを基板Ｗの被成膜面に入射させるクリーニングを行うことで、基板Ｗの被成膜面に成膜前に化学吸着されているガスを迅速かつ効率的に除去することができ、しかも基板Ｗの被成膜面にダメージを与えることがない。
【００３３】
次に、プラズマガン３０からのプラズマビームＰＢの発生を増大させてハース５１に供給し基板Ｗ上に金属配線膜を形成する（ステップＳ３）。つまり、流量調節弁３８によってパイプ３５から真空容器１０中に適当量のＡｒイオンを供給しつつ、ガン駆動装置４８によって陰極３１に１００Ａ程度の電流を供給して高密度のプラズマを形成し、得られたプラズマビームＰＢをハース５１側に導く。ハース本体５３に収納された蒸発物質（膜材料）は、プラズマビームＰＢにより加熱されて蒸気としてハース本体５３から出射する。この蒸気は、プラズマビームＰＢによりイオン化され、ハース５１に対向して配置された基板Ｗの表面に付着し均一な被膜が形成される。この際、温度調節装置６２によって基板Ｗの温度を適宜調節することによって、基板Ｗ上に形成される金属配線膜の状態をある程度制御することができる。
【００３４】
なお、上記プラズマガン３０を用いることにより、強力なプラズマビームを連続的に安定して供給することができ、基板Ｗ上に高品質の金属配線膜が迅速に形成されることになる。また、永久磁石５５等によってハース５１の上方にカスプ磁場を形成しハース５１に入射するプラズマビームを修正するので、基板Ｗ上により均一な厚さの膜が形成されることになる。
【００３５】
このような膜形成の際、適当なタイミングで、適当な負のバイアス電圧、すなわち制御用バイアス電圧を基板Ｗに印加することができる。これにより、Ａｒイオンによるスパッタを併用した多様な成膜が可能になり、基板Ｗ上の孔や溝の確実な埋込みが可能となる。
【００３６】
基板Ｗの表面に所望の厚みの金属配線膜が形成された段階でプラズマガン３０の動作を停止させ、基板Ｗを真空容器１０外に搬出する（ステップＳ４）。
【００３７】
以上のようにして、基板Ｗ上には、ステップカバレージが良好でボイド等が形成されにくく、かつ、結晶配向性の良い金属配線膜が形成される。例えば、面心立方格子をとる多くの金属導電材料では、バリア膜の表面状態（結晶性、凹凸）に拘わらず（１１１）面を上側として高い配向性を有する膜を形成できる。このように、高密度で結晶配向性が良い金属配線膜は、高い導電性を示すだけでなく、エレクトロマイグレーションに対する耐性が高く、高品質の配線を提供することができる。
【００３８】
図３は、具体的な実施例で得られた金属配線材料膜の表面のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。この金属配線膜は、Ｓｉウェハ上に平坦に積層したＳｉＯ₂層及びＴａＮ層の上に堆積されたものである。
【００３９】
以下の表１は、図３の金属配線膜を形成する際の諸条件を説明する図である。実施例の基板Ｗに施す表面クリーニングは、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を４０Ａ程度とし、基板Ｗのバイアス電圧を−６５Ｖとして、１８０秒間継続的に行った。成膜の本工程である膜形成は、表面クリーニングを行った実施例もそうでない比較例も同一の条件とした。すなわち、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を１００Ａ程度とし、基板Ｗのバイアス電圧を０Ｖとして、２２分間継続的に金属配線材料を堆積した。Ｘ線回折の測定結果は、クリーニングのない場合も高い結晶配向性を示すが、表面クリーニングを行った場合には、これよりも３倍以上のより高い（１１１）結晶配向性を有することを示している。
【００４０】
〔表１〕

以上実施形態に即してこの発明を説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を膜形成時よりも小さくしてハース５１中の膜材料の蒸発を抑えつつ表面クリーニングを行っているが、補助陽極５２に印加する電圧を調節することによってプラズマビームＰＢを一時的に補助陽極５２に導くことによっても、ハース５１中の膜材料の蒸発を抑えつつ表面クリーニングを行うことができる。
【００４１】
また、Ａｒイオンによる表面クリーニングを行っているが、Ａｒイオン以外のイオンを用いて表面クリーニングを行うこともできる。具体的には、Ｈ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等を単独で、或いは組み合わせて用いることができる。この際、基板Ｗに適当なバイアス電圧を印加し、５〜２００ｅＶ、好ましくは１０〜１００ｅＶのエネルギーを有するイオンとして被成膜面に入射させることで、後の工程で得られる膜を高い配向性を有するものとできる。
【００４２】
また、上記実施形態では、Ｃｕの成膜に先立ってイオンによる表面クリーニングを行っているが、本実施形態のイオンによる表面クリーニングをＣｕ以外の成膜にも利用できることは言うまでもない。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属膜、さらに半導体膜の成膜に先立って、基板Ｗにバイアス電圧を印加した状態でプラズマを供給することで、その後に形成したＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ膜等の配向性を高めることができる。
【００４３】
また、プラズマイオンによる表面クリーニングの時間も、実験的には数秒〜数分で十分な効果を得ることを確認しているが、膜材料や基板の種類、処理用バイアス電圧等の各種条件に応じて適宜設定できる。
【００４４】
また、真空容器１０内で、プラズマイオンによる表面クリーニングを行う処理位置と、ハース５１に対向して基板Ｗ上への膜形成を行う成膜位置とを分離することができる。さらに、プラズマイオンによる表面クリーニングと、基板Ｗ上への膜形成とを別室で行うことも可能である。ただし、表面クリーニングと膜形成とを同じチャンバ内で行い、成膜用のプラズマガン３０を表面クリーニングに利用することで、より簡易で効率的な処理が可能になる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の方法では、第１工程で、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理するので、基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、第２工程で、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【００４６】
また、本発明の成膜装置によれば、電位制御手段が、材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給して成膜を行う前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせるので、成膜前の基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の成膜装置の全体構造を説明する図である。
【図２】実施形態の成膜方法を概念的に説明する図である。
【図３】得られた膜の特性を説明する図である。
【符号の説明】
１０真空容器
３０プラズマガン
３９ガス供給源
４７ステアリングコイル
４８ガン駆動装置
５０陽極部材
５１ハース
５２補助陽極
５８陽極電源装置
６０保持機構
６１基板ホルダ
６２温度調節装置
６８基板電源装置
６９温調制御装置
７７排気ポンプ
８０主制御装置[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a film forming apparatus for performing ion plating using plasma, and more particularly to a film forming apparatus suitable for forming a metal wiring film or the like with good orientation.
[0002]
[Prior art]
As a conventional film deposition system, a plasma beam from a pressure gradient type plasma gun is guided to Hearth, and the evaporation material in the evaporation crucible on the hearth is evaporated and ionized, and the evaporated and ionized evaporation material is opposed to Hearth. There is known an ion plating apparatus that adheres to the surface of a substrate arranged in this manner.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-138743 incorporates an incident beam direction adjusting means composed of a bar magnet arranged in a hearth and a permanent magnet arranged concentrically around the hearth in this type of ion plating apparatus. Discloses a cusp magnetic field formed above the entrance surface of the hearth. In this ion plating apparatus, the plasma beam incident on the hearth is corrected by the cusp magnetic field above the hearth, and the plasma beam is linearly incident directly above the hearth, so the thickness of the film formed on the surface of the substrate is uniform. Can be.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above ion plating apparatus, a metal wiring film having a higher crystal orientation than that of a conventional film forming apparatus is obtained. However, due to the adsorption of impurity gas etc. on the surface of the substrate before film formation, this adsorbed material is taken into the film and not only increases the amount of impurities, but also degrades the crystal orientation. I am letting.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a film forming method and apparatus that can eliminate the influence of these adsorbing substances and provide a wiring film having higher crystal orientation and excellent electrical characteristics. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a film forming method that can be performed in the film forming apparatus of the present invention is such that ions in plasma are incident on a substrate by applying a predetermined processing bias voltage to the substrate, and the substrate is subjected to surface treatment. And a first step of evaporating the film material of the material evaporation source to adhere to the surface of the substrate by supplying a plasma beam toward the material evaporation source disposed in the film forming chamber after the first step. 2 steps.
[0007]
In the above method, in the first step, ions in plasma are incident on the substrate by applying a predetermined processing bias voltage to the substrate, and this substrate is surface-treated. Can be easily and reliably removed. Therefore, in the second step, a film having high orientation and good electrical characteristics can be formed on a clean substrate.
[0008]
In a preferred aspect of the above method, the second step includes a step of controlling the progress of film formation by applying a predetermined control bias voltage to the substrate.
[0009]
In this case, since the film formation can proceed while appropriately balancing the sputtering by the ions of the film formed on the substrate surface and the adhesion of the film material to the substrate surface, the film material in the grooves and holes on the substrate can be advanced. The embedding is ensured.
[0010]
In a preferred embodiment of the above method, the ion contains at least one of Ar, H, He, Ne, Kr, and Xe and has an energy of 5 to 200 eV.
[0011]
In this case, ions suitable for cleaning the substrate can be incident on the substrate with energy required for cleaning.
[0012]
In a preferred embodiment of the above method, in the second step, the plasma beam is supplied from the pressure gradient type plasma gun toward the hearth while controlling the magnetic field above the hearth holding the material evaporation source.
[0013]
In this case, it is possible to quickly form a film having a more uniform thickness by correcting the plasma beam incident on the hearth from the pressure gradient type plasma gun with a cusp-like magnetic field by the magnetic field control member.
[0014]
In addition, the film forming apparatus of the present invention includes a plasma source for supplying a plasma beam into the film forming chamber and a material evaporation source capable of containing the film material, and a hearth disposed in the film forming chamber for guiding the plasma beam. And a substrate support device that supports the substrate so as to face the hearth in the film formation chamber, and a substrate that is supported by the substrate support device before film formation is performed by supplying a plasma beam toward the material evaporation source. Potential control means for applying a bias voltage to the substrate to cause ions in the plasma beam from the plasma source to be incident on the substrate for surface treatment.
[0015]
In the apparatus described above, the potential control means applies a bias voltage to the substrate supported by the substrate support device before supplying the plasma beam toward the material evaporation source to perform film formation. Since the ions are incident on the substrate and the surface treatment is performed, gas components and the like chemically adsorbed on the surface of the substrate before film formation can be easily and reliably removed. Therefore, a film with high orientation and good electrical characteristics can be formed over a clean substrate.
[0016]
Further, in a preferred aspect of the above apparatus, at least one of the magnet and the coil is annularly arranged around the hearth, and a magnetic field control member that controls the magnetic field above the hearth, and above the magnetic field control member. The plasma source is a pressure gradient type plasma gun.
[0017]
In this case, it is possible to quickly form a film having a more uniform thickness by correcting the plasma beam incident on the hearth by the magnetic field control member using a cusp magnetic field or the like. Furthermore, the incident of the plasma beam to the hearth can be controlled using the auxiliary anode.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the overall structure of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. This film forming apparatus is for forming a metal wiring film, and includes a vacuum container 10 that is a film forming chamber, a plasma gun 30 that is a plasma source that supplies a plasma beam PB into the vacuum container 10, and a vacuum container 10. An anode member 50 on which a plasma beam PB is incident upon deposition, a holding mechanism 60 that holds the substrate W on the vacuum vessel 10, and a main controller 80 that performs overall control of these operations. With.
[0019]
The plasma gun 30 is a pressure gradient type plasma gun that generates a plasma beam PB by DC arc discharge, and its main body portion is mounted on a cylindrical portion 12 provided on the side wall of the vacuum vessel 10. The main body portion is composed of a glass tube 32 whose one end is closed by a cathode 31. In the glass tube 32, a cylinder 33 made of molybdenum Mo is fixed to the cathode 31 and arranged concentrically with the glass tube 32. In this cylinder 33, a disk 34 made of LaB ₆ and tantalum are formed. A pipe 35 made of Ta is built in. The first and second

intermediate electrodes

41 and 42 are concentric between the end of the glass tube 32 opposite to the cathode 31 and the end of the cylindrical portion 12 extending from the vacuum vessel 10. Are arranged in series. In the first intermediate electrode 41, an annular permanent magnet 44 for converging the plasma beam PB is incorporated. An electromagnetic coil 45 for converging the plasma beam PB is also built in the second intermediate electrode 42. Around the cylindrical portion 12, a steering coil 47 that guides the plasma beam PB generated on the cathode 31 side and drawn to the first and second

intermediate electrodes

41 and 42 into the vacuum vessel 10 is provided in an annular shape. ing.
[0020]
When the plasma gun 30 is operated, a discharge is generated between the cathode 31 and the hearth 51 in the vacuum vessel 10, and a plasma beam PB is generated. This plasma beam PB reaches the hearth 51 by being guided by a magnetic field determined by the steering coil 47 and the permanent magnet 55 in the auxiliary anode 52.
[0021]
The operating state of the plasma gun 30 is controlled by a gun driving device 48. The gun driving device 48 can turn on / off the power supply to the cathode 31 and adjust the supply voltage to the first and second

intermediate electrodes

41, 42, the electromagnet coil 45, and the steering coil. The power supply to 47 is adjusted. By such a gun driving device 48, the state of the plasma beam PB supplied into the vacuum vessel 10 is controlled.
[0022]
The pipe 35 arranged on the innermost side is for introducing a carrier gas such as Ar, which is the source of the plasma beam PB, into the plasma gun 30, via the flow meter 37 and the flow control valve 38. A gas supply source 39 is connected. The flow rate of the carrier gas detected by the flow meter 37 is monitored by the main controller 80 and is used for adjusting the flow rate of the carrier gas by the flow rate control valve 38. An exhaust pump 77 is attached to the side surface of the vacuum vessel 10 facing the plasma gun 30 via a vacuum gate 76 in order to reduce the pressure inside the vacuum vessel 10 to a desired pressure.
[0023]
The anode member 50 disposed in the lower part of the vacuum vessel 10 includes a hearth 51 that is a main anode for guiding the plasma beam PB downward, and an annular auxiliary anode 52 disposed around the anode 51.
[0024]
The former hearth 51 is formed of a conductive material having a good thermal conductivity and is supported by a grounded vacuum vessel 10 via an insulator (not shown). The hearth 51 is controlled to an appropriate positive potential by the anode power source 58, and attracts the plasma beam PB emitted from the plasma gun 30 and guided by the magnetic field downward. The hearth 51 has a hearth main body 53 that is a crucible-like material evaporation source in a concave portion at the center upper portion where electrons in the plasma beam PB from the plasma gun 30 are incident. Inside the hearth main body 53, a metal such as copper, which is a film material, is accumulated in a molten state.
[0025]
The latter auxiliary anode 52 is constituted by an annular container disposed concentrically around the hearth 51. In this annular container, an annular permanent magnet 55 formed of ferrite or the like and a coil 56 laminated concentrically therewith are accommodated. The permanent magnet 55 and the coil 56 are magnetic field control members, and form a cusp-like magnetic field directly above the hearth 51. Thereby, the direction of the plasma beam PB incident on the hearth 51 can be corrected.
[0026]
The coil 56 in the auxiliary anode 52 constitutes an electromagnet and is supplied with power from an anode power supply device 58. In this case, the direction of the magnetic field on the center side of the excited coil 56 is configured to be the same direction as the magnetic field on the center side generated by the permanent magnet 55. The anode power supply device 58 can change the current supplied to the coil 56 and can finely adjust the direction of the plasma beam PB incident on the hearth 51.
[0027]
The container of the auxiliary anode 52 is also made of a conductive material having a good thermal conductivity like the hearth 51. The auxiliary anode 52 is attached to the hearth 51 via an insulator (not shown). The anode power supply device 58 can control the electric field above the hearth main body 53 by changing the voltage applied to the auxiliary anode 52, particularly the auxiliary anode main body thereabove.
[0028]
The holding mechanism 60 disposed in the upper part of the vacuum vessel 10 includes a substrate holder 61 that is a substrate support device for holding the substrate W with the film formation surface on the upper side of the hearth 51, and an upper part of the substrate holder 61. And a temperature adjusting device 62 that adjusts the temperature of the substrate W from the back side. The substrate holder 61 is supplied with power from a substrate power supply device 68 as potential control means while being insulated from the vacuum vessel 10, and the surface of the substrate W is applied to the zero potential vacuum vessel 10 at an appropriate timing. Bias to negative potential or positive potential, or keep it floating. The temperature control device 62 is controlled by a temperature control device 69. The temperature control device 69 supplies power to the heater built in the temperature control device 62, or supplies a cooling medium to the built-in piping, thereby The adjusting device 62 and the substrate holder 61 are kept at a desired temperature.
[0029]
Hereinafter, the operation of the film forming apparatus of FIG. 1 will be described with reference to FIG. First, the substrate W is carried into the vacuum vessel 10 and fixed to the substrate holder 61 with the film formation surface facing downward (step S1). This substrate W is, for example, formed by forming an SiO ₂ layer having an appropriate pattern on a Si wafer, and having a thin barrier film made of TaN or the like on the entire surface including holes and grooves of the SiO ₂ layer.
[0030]
Next, the deposition surface of the substrate W is cleaned by operating the plasma gun 30 as appropriate (step S2). That is, a current of about 40 A is supplied to the cathode 31 by the gun driving device 48 while supplying an appropriate amount of Ar ions from the pipe 35 into the vacuum vessel 10 by the flow rate adjusting valve 38. In this state, the substrate power supply 68 maintains the potential of the film formation surface of the substrate W at about 0 to −200 V, preferably about −5 to −100 V, that is, the processing bias voltage. Thereby, the film formation surface of the substrate W is cleaned. At this time, the temperature of the substrate W can be appropriately adjusted by the temperature adjusting device 62. When the processing bias voltage is greater than −5 V, the surface cleaning effect cannot be obtained sufficiently and the adhesion of the metal wiring film to be formed later gradually deteriorates, although it varies depending on the type and surface state of the substrate W. . On the other hand, when the processing bias voltage becomes lower than −100 V, the energy of ions incident on the substrate W increases, and the surface of the substrate W is likely to be damaged gradually.
[0031]
When Ar gas is used as a carrier as described above, the plasma potential is +10 to + 20V. Therefore, when the potential of the deposition surface of the substrate W is set to, for example, −50 V by the substrate power supply device 68, Ar ions collide with the substrate W with energy of about 55 to 65 eV and are adsorbed on the deposition surface of the substrate W. To release the atom.
[0032]
Gas adsorption includes physical adsorption and chemical adsorption. Of these, the gas physically adsorbed on the substrate W is removed in a relatively short time by heating the substrate W to about 200 to 300 ° C. in a vacuum. Although possible, chemisorbed gas is not easily released by overheating alone. For this reason, by performing cleaning by making Ar ions of relatively low energy incident on the film formation surface of the substrate W, gas chemisorbed on the film formation surface of the substrate W before film formation can be quickly and efficiently obtained. In addition, the film formation surface of the substrate W is not damaged.
[0033]
Next, the generation of the plasma beam PB from the plasma gun 30 is increased and supplied to the hearth 51 to form a metal wiring film on the substrate W (step S3). That is, while supplying an appropriate amount of Ar ions from the pipe 35 into the vacuum vessel 10 by the flow control valve 38, a current of about 100 A is supplied to the cathode 31 by the gun driving device 48 to form a high-density plasma. The generated plasma beam PB is guided to the hearth 51 side. The evaporated substance (film material) stored in the hearth main body 53 is heated by the plasma beam PB and emitted from the hearth main body 53 as vapor. This vapor is ionized by the plasma beam PB, and adheres to the surface of the substrate W arranged facing the hearth 51 to form a uniform film. At this time, the state of the metal wiring film formed on the substrate W can be controlled to some extent by appropriately adjusting the temperature of the substrate W by the temperature adjusting device 62.
[0034]
By using the plasma gun 30, a strong plasma beam can be supplied continuously and stably, and a high-quality metal wiring film can be rapidly formed on the substrate W. Further, since a cusp magnetic field is formed above the hearth 51 by the permanent magnet 55 or the like and the plasma beam incident on the hearth 51 is corrected, a film having a uniform thickness is formed on the substrate W.
[0035]
In forming such a film, an appropriate negative bias voltage, that is, a control bias voltage can be applied to the substrate W at an appropriate timing. As a result, various film formations using sputtering with Ar ions are possible, and holes and grooves on the substrate W can be reliably embedded.
[0036]
When the metal wiring film having a desired thickness is formed on the surface of the substrate W, the operation of the plasma gun 30 is stopped, and the substrate W is carried out of the vacuum vessel 10 (step S4).
[0037]
As described above, on the substrate W, a metal wiring film having good step coverage and being difficult to form voids and having good crystal orientation is formed. For example, in many metal conductive materials having a face-centered cubic lattice, a film having high orientation with the (111) plane as the upper side can be formed regardless of the surface state (crystallinity, unevenness) of the barrier film. As described above, the metal wiring film having high density and good crystal orientation not only exhibits high conductivity, but also has high resistance to electromigration and can provide high quality wiring.
[0038]
FIG. 3 is a graph showing an X-ray diffraction spectrum of the surface of the metal wiring material film obtained in a specific example. This metal wiring film is deposited on the SiO ₂ layer and the TaN layer that are flatly stacked on the Si wafer.
[0039]
Table 1 below is a diagram for explaining various conditions when the metal wiring film of FIG. 3 is formed. The surface cleaning performed on the substrate W in the example was continuously performed for 180 seconds with the current supplied to the cathode 31 of the plasma gun 30 being about 40 A and the bias voltage of the substrate W being −65 V. Film formation, which is the main step of film formation, was carried out under the same conditions in the example in which surface cleaning was performed and the comparative example in which the surface was not. That is, the metal wiring material was continuously deposited for 22 minutes with the current supplied to the cathode 31 of the plasma gun 30 being about 100 A and the bias voltage of the substrate W being 0 V. X-ray diffraction measurement results show high crystal orientation in the absence of cleaning, but when surface cleaning is performed, it has a higher (111) crystal orientation of three times or more. ing.
[0040]
[Table 1]

Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the surface cleaning is performed while suppressing the evaporation of the film material in the hearth 51 by making the current supplied to the cathode 31 of the plasma gun 30 smaller than that at the time of film formation. The surface cleaning can be performed while suppressing the evaporation of the film material in the hearth 51 also by temporarily guiding the plasma beam PB to the auxiliary anode 52 by adjusting the voltage to be applied.
[0041]
Further, although surface cleaning is performed using Ar ions, surface cleaning can also be performed using ions other than Ar ions. Specifically, H, Ne, Kr, Xe, or the like can be used alone or in combination. At this time, an appropriate bias voltage is applied to the substrate W, and ions having an energy of 5 to 200 eV, preferably 10 to 100 eV, are incident on the deposition surface. It can have.
[0042]
In the above embodiment, surface cleaning with ions is performed prior to Cu film formation, but it goes without saying that the surface cleaning with ions of this embodiment can also be used for film formation other than Cu. For example, prior to the formation of a metal film such as Au, Ag, Al, Pt, and a semiconductor film, by supplying a plasma with a bias voltage applied to the substrate W, Au, Ag, Al formed thereafter The orientation of the Pt film or the like can be improved.
[0043]
In addition, it has been experimentally confirmed that the surface cleaning time by plasma ions can be obtained in a few seconds to a few minutes, but depending on various conditions such as the film material, the type of the substrate, and the processing bias voltage. Can be set as appropriate.
[0044]
Further, in the vacuum container 10, the processing position for performing surface cleaning with plasma ions and the film forming position for forming a film on the substrate W facing the hearth 51 can be separated. Furthermore, it is possible to perform surface cleaning with plasma ions and film formation on the substrate W in separate chambers. However, by performing surface cleaning and film formation in the same chamber and using the plasma gun 30 for film formation for surface cleaning, simpler and more efficient processing becomes possible.
[0045]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, in the method of the present invention, in the first step, ions in plasma are incident on the substrate by applying a predetermined processing bias voltage to the substrate, and this substrate is surface-treated. It is possible to easily and reliably remove gas components chemically adsorbed on the surface of the substrate. Therefore, in the second step, a film having high orientation and good electrical characteristics can be formed on a clean substrate.
[0046]
Further, according to the film forming apparatus of the present invention, the potential control means applies a bias voltage to the substrate supported by the substrate supporting apparatus before performing film formation by supplying a plasma beam toward the material evaporation source. As a result, ions in the plasma beam from the plasma source are incident on the substrate and surface treatment is performed, so that gas components and the like chemically adsorbed on the surface of the substrate before film formation can be easily and reliably removed. Therefore, a film with high orientation and good electrical characteristics can be formed over a clean substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall structure of a film forming apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating a film forming method according to an embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating characteristics of the obtained film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vacuum container 30 Plasma gun 39 Gas supply source 47 Steering coil 48 Gun drive device 50 Anode member 51 Hearth 52 Auxiliary anode 58 Anode power supply device 60 Holding mechanism 61 Substrate holder 62 Temperature control device 68 Substrate power supply device 69 Temperature control device 77 Exhaust Pump 80 Main controller

Claims

A plasma source for supplying a plasma beam into the deposition chamber;
A material evaporation source capable of containing a film material, and a hearth disposed in the film forming chamber to guide the plasma beam;
A substrate support device for supporting the substrate so as to face the hearth in the film formation chamber;
Before the film is formed by supplying the plasma beam toward the material evaporation source, ions in the plasma beam from the plasma source are applied by applying a bias voltage to the substrate supported by the substrate support device. A film forming apparatus comprising: potential control means for performing surface treatment by causing the substrate to enter the substrate.

A magnetic field control member configured to annularly arrange at least one of a magnet and a coil around the hearth and control a magnetic field above the hearth; and an auxiliary anode disposed above the magnetic field control member; The film forming apparatus according to claim 1 , further comprising: a plasma gradient type plasma gun.